轎車變速箱取力器軸承的選型與設計

張雷，郭平，湯勇,楊柳

(1.襄陽汽車軸承股份有限公司，湖北 襄陽 441022;2.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039)

變速箱取力器(Power Transfer Unit，PTU)是全輪驅動傳動系統(AWD)的主要部件，可應用于普通轎車，也可用于SUV車型。它與扭矩管理器(TTD)配合使用，以接合整車系統，按照需求自動分配前、后輪的扭矩輸出，在不干涉發動機動力輸出的情況下，可提高物理極限，全時段實現最佳操控，提高汽車在各種公路和全天候條件下行駛的安全性。變速箱的動力一部分輸出到前半軸的左、右兩端，另外一部分輸出到取力器。通常情況下，動力從變速箱傳遞到取力器后需要改變傳遞方向，并且有一個升速比(約為2～3)。這主要是由扭矩管理器的特點決定的。扭矩管理器是一個結構緊湊的動態離合器，所承受的傳遞扭矩有限，在相同轉速情況下，通過取力器的升速比可以增大1～2倍的傳遞動力。

1 選型與設計原則

根據變速箱取力器工況和受力情況，所用軸承均為圓錐滾子軸承，圖1為國外某取力器軸承布局圖，圖中采用了5個型號的圓錐滾子軸承。

圖1 取力器及軸承布局簡圖

變速箱取力器一般要求為平穩、可靠、長壽命、小型化和輕量化。這決定了使用在該部位的軸承要有高可靠性、長壽命、低振動、低摩擦力矩、高速、耐高溫的工作特性。同時還要考慮載荷、承載區、潤滑和速度、不對中等因素，所以對軸承的設計和制造等都提出了較高的要求。國外對變速箱取力器軸承的壽命一般要求為20萬千米。

因此，對軸承的設計有以下要求：(1)高可靠性、長壽命，滿足主機使用壽命；(2)低摩擦力矩，降低能耗，提高傳動效率；(3)低振動，提高平穩性和舒適性；(4)小型化、輕量化，在不減小軸承剛度情況下減輕重量。

2 高可靠性、長壽命設計

根據變速箱取力器運轉模擬條件，需要對取力器軸承進行受力分析，計算出每套軸承的理論壽命，并根據軸承的結構特點、受力情況、潤滑狀況、使用環境及安裝狀況等進行壽命修正計算，使理論設計壽命滿足使用要求。同時，壽命計算結果為圓錐滾子軸承的材料及加工方式的選擇提供了重要依據，為軸承選型及安裝提供了可靠的理論依據。

2.1 理論壽命分析與選型

根據軸承受力情況，在有限的尺寸要求下，設計合理的內部結構及參數。首先需要根據已知條件(輸入扭矩、齒輪參數、軸承相互位置等)計算出各軸承的受力情況，然后根據經驗初選軸承尺寸和內部參數，計算出軸承額定載荷和載荷系數，再根據取力器的運行載荷譜計算出軸承的理論壽命。如果軸承不能滿足壽命要求或者計算壽命遠高于要求壽命，需對軸承尺寸和內部參數進行調整。

軸承的徑向額定動、靜載荷分別為[1-2]

Cr=bmfc(iLwecosα)7/9Z3/4Dwe29/27，

(1)

C0r=44(1-Dwecosα/Dpw)iZLweDwecosα，

(2)

式中：bm為材料系數；fc為幾何系數；i為滾子列數；Lwe為滾子有效接觸長度；α為接觸角；Z為每列滾子數；Dwe為平均滾子直徑；Dpw為滾子組節圓直徑。

因用戶經常要求用千米數和小時數來表示軸承的壽命，所以[3]

Ls=πDL10，

(3)

Lh=L10×106/(60nm)，

(4)

L10=(Cr/Pm)10/3，

(5)

(6)

同時考慮安裝和預緊對軸承的影響，需對軸承的靜態承載能力進行校核。在選型與壽命計算過程中，應根據不同的使用位置選擇合適的軸承接觸角α即合適的載荷判定系數e,動、靜軸向系數Y，Y0。

表1 取力器中圓錐滾子軸承壽命

表2 調整后圓錐滾子軸承壽命

2.2 提高可靠性和壽命的設計

為提高軸承的可靠性，在滿足設計壽命的同時，需要對軸承壽命進行修正。此時要考慮軸承材料、潤滑、清潔度、接觸形狀、結構及載荷情況等。軸承的修正壽命為[1]

Lnm=a1aISOL10，

(7)

式中:a1為可靠性修正系數，a1=0.95[ln(100/S)/ln(100/90)]2/3+0.05,S為可靠度，對于變速箱取力器軸承S最低取98；aISO為考慮軸承結構、材料極限及潤滑環境等的壽命修正系數。表2中的計算壽命是修正后的壽命。

2.2.1 材料及熱處理的影響

對于這類軸承使用的材料，專門制定了相關的材料采購標準，對氧含量和雜質有不同的規定，分普通、高、特(分別對應P,G,T)級材料。針對這些材料，結合軸承壽命試驗情況給出了相應的材料影響系數。

取力器軸承要求的使用溫度一般為-40～150 ℃，并且要求在峰值下至少正常運轉1 h。取力器軸承選用企業內部標準規定的G級或T級軸承鋼或滲碳鋼。同時，經過試驗證明，采用二次淬火、碳氮共滲的熱處理方式，可以使軸承壽命至少增加20%?？紤]軸承成本因素，在設計選型過程中，應綜合考慮材料、熱處理方式對軸承壽命的影響，選擇合適的材料和熱處理方式。

2.2.2 滾動接觸表面輪廓形狀的影響

為提高軸承的承載能力，減小或消除滾子邊緣應力集中，使表面接觸應力均勻分布，在該類軸承設計中，內、外圈滾道，滾子外徑面和內圈擋邊均帶有凸度,如圖2所示。根據承載大小的不同，內、外圈滾道和滾子素線采用了圓弧曲線修型和對數曲線修型兩種凸度形狀，擋邊采用了對數曲線修型的凸度形狀。同時，通過滾道接觸的有限元分析，對內、外滾道，滾子外徑面的凸度值進行了匹配設計[5]。為使軸承滾道邊緣應力最小，通過計算分析給出了合理的凸度形狀和凸度值。此例中軸承1，2的滾道采用了圓弧曲線修型的凸度形狀，凸度值取0.012～0.030 mm，軸承3，4，5的滾道采用了對數曲線修型的凸度形狀，其中軸承3的凸度值取0.005～0.010 mm，軸承4，5的凸度值取0.008～0.020 mm。所有的滾子素線均采用對數曲線，凸度值取0.005～0.010 mm。

圖2 圓錐滾子軸承的凸度設計

2.2.3 精度和裝配的影響

圖3 不同配合過盈量下最大Hertz應力與壽命的關系(n為應力壽命指數)

3 低摩擦力矩設計

3.1 啟動摩擦力矩

啟動摩擦力矩是軸承從靜止狀態到開始旋轉時所必須克服的摩擦力矩。圓錐滾子軸承啟動摩擦力矩主要是滾子球基面與內圈大擋邊的滑動摩擦力矩，其計算公式[6]為

(8)

式中：e1為滾子球基面與擋邊接觸點至擋邊底部的距離；μe為滾子端面與內圈大擋邊間的摩擦因數，取0.1～0.2；Ri為內滾道半徑；Dwm為滾子平均直徑；ψ為滾子半錐角；Fa為軸向載荷。

為降低啟動摩擦力矩，在設計加工過程中主要采取的措施為：(1)通過設計計算，控制擋邊與球基面的接觸點位置；(2)控制球基面與擋邊的表面粗糙度，使Ra<0.2 mm；(3)采用對數素線凸度形狀的擋邊；(4)控制擋邊內側倒角和油溝大小。

3.2 工作中的摩擦力矩

圓錐滾子軸承在受載時，其摩擦力矩主要包括：滾子與內、外圈間的滾動摩擦力矩Mr和內圈擋邊與滾子球基面之間的滑動摩擦力矩Ms(同啟動摩擦力矩)。工作中的摩擦力矩為[6]

(9)

經過對影響因素進行分析，得出控制滾動摩擦力矩的主要措施為：軸承設計精度應不低于P6；加工時對滾道圓度、表面粗糙度及表面波紋度進行嚴格控制，滿足設計要求；對滾道和滾子外徑面凸度的大小和位置進行合理配置。

4 低振動設計

變速箱取力器對振動和噪聲也有一定的要求。由于英制圓錐滾子軸承、大錐角圓錐滾子軸承目前沒有相關的振動標準，因此，根據加工和檢測數據與顧客使用檢測反饋，制定了該部位軸承的振動值標準，見表3。對于可參考標準的型號，最低需要達到Z1，V1水平。

根據檢測數據對比分析可知，影響圓錐滾子軸承振動與噪聲的因素為：(1)各零件加工質量，如套圈和滾子的形狀公差、各接觸表面質量、保持架竄動量及質心平穩性；(2)裝配質量，如滾子分組差、保持架收壓變形、軸承清潔度及潤滑等。

在設計中主要控制軸承的內部精度，如表面粗糙度、圓度和表面波紋度等；在加工過程中，應嚴格執行規定的搬運程序，避免軸承零件的磕碰傷。同時，經過對軸承清潔度與振動的對比試驗，制定了相應的清潔度標準(表3)。

表3 振動與清潔度標準

5 小型、輕量化設計

在滿足壽命和不降低剛度的前提下，應盡量減小軸承的尺寸以減輕重量，如圖4所示。采取的主要措施為改變滾子尺寸，增加滾子數量；對保持架進行針對性設計，減小保持架與外滾道間的間隙，減小滾子之間的間隙；優化軸承內部參數，增加其載荷容量；對滾道和滾子進行匹配設計；采用二次淬火或碳氮共滲工藝，提高軸承壽命；攻關薄壁套圈加工工藝，以滿足設計要求。同時在小型、輕量化設計中，需對軸承擋邊強度和軸承剛度進行校核。

圖4 軸承小型化示意圖

圓錐滾子軸承在承受軸向與徑向的聯合載荷時，最小預緊力按下式計算[7]

Fa0min≥1.9Fr1tanα1-0.5Fa，

(10)

Fa0min≥1.9Fr2tanα2+0.5Fa，

(11)

式中：Fr1，Fr2分別為配對使用的兩個圓錐滾子軸承所受的徑向力；α1，α2分別為兩個圓錐滾子軸承的接觸角；Fa為配對圓錐滾子軸承整體受到的軸向力。軸向、徑向載荷按載荷譜選取。取上面兩式中的較大值，同時結合使用經驗和試驗確定合適的預緊載荷值。

在軸向力作用下，圓錐滾子軸承剛性位移為[4，8]

(12)

在徑向力作用下，剛性位移為

(13)

Qmax=Fr/[Jr(ε)Zcosα]=Fa/[Ja(ε)·

Zsinα]，

(14)

式中：Qmax為最大滾動體載荷；Ja(ε)為軸向載荷積分函數；Jr(ε)為徑向載荷積分函數，Z為滾子個數。

軸承剛度為[9]

K=dF/dδ，

(15)

式中：F為作用在軸承上的載荷，N；δ為剛性位移，mm。

圖5～6分別為取力器中軸承(1～5)的軸、徑向力與位移的關系，在小型化設計過程中可用于前、后設計的剛度對比。

圖5 軸承的軸向剛度曲線

圖6 軸承的徑向剛度曲線

6 結束語

針對變速箱取力器軸承的使用工況和客戶要求，對該部位的軸承進行了選型設計，與傳統設計相比，優化設計考慮了軸承的可靠性、長壽命、低振動、低摩擦、小型化及輕量化等因素，并對各個因素進行了詳細的分析，以指導軸承的設計。